中小型无刷励磁同步发电机组旋转整流桥二极管开路故障的在线检测方法

武玉才， 庞永林， 侯旭辰

(1.华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003; 2.国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，呼和浩特 010020)

0 引 言

近年来，无刷励磁技术发展迅速，中小型无刷励磁同步发电机组体积小、便携带、失磁故障少、抗无线电干扰能力强，在工业，船舶，国防中有大量应用。无刷励磁机的旋转整流盘随发电机转子长时间高速旋转，整流二极管承受着巨大的离心力和电磁作用，二极管的损坏时有发生。整流二极管与电枢绕组直接相连，二极管的运行状况直接影响电枢绕组的导通状况及电枢磁场的分布，进一步影响励磁机能否正常稳定运行。因此，对中小型无刷励磁同步发电机组旋转整流桥二极管开路故障的在线检测研究需求迫切，为其开发一种精确度高，稳定性好的在线检测方法具有重要现实意义。

目前，国内外专家学者在大型无刷励磁机领域对旋转整流器的二极管故障研究较多，而对产量和保有量更为庞大的中小型无刷励磁同步发电机组旋转二极管故障关注较少。针对大型无刷励磁机旋转二极管故障的研究，文献[1-3]分析了二极管故障后电枢绕组电流及磁场变化，提出利用磁极绕组感应的特定频率谐波励磁电流诊断励磁机旋转整流桥二极管故障；文献[4-5]基于电枢绕组与整流桥的引线流过电流与二极管故障的关联特征，分析了基于引线漏磁场特征的二极管故障检测方法(DNC法)的原理、适用性及弊端；文献[6]以励磁机励磁绕组感应电压为特征量，利用改进反向选择算法对励磁机定子绕组感应电势特征谐波进行分析计算，实现旋转整流器二极管故障的在线诊断；文献[7]介绍了氖指示灯频率检测法、DNC法和谐波电枢原理法的检测原理，并对每种方法的适用性进行了分析；文献[8]提出在励磁机定子铁轭磁极中分线处安装U型线圈，利用U型线圈感应电压的转频分量诊断二极管开路故障；文献[9]进一步提出在励磁机定子铁轭空间位置相差180°的位置处安装2个U型线圈，根据2个U型线圈感应电势的差值情况诊断二极管开路故障；文献[10]研究了旋转二极管开路故障和短路故障情况下的发电机端电压谐波特征，根据发电机端电压频谱中(4k-3)fr和6次谐波分量幅值区分二极管故障类型。与大型无刷励磁发电机组相比，中小型无刷励磁发电机组规模小，机组结构也有很大差异，因此针对大型无刷励磁机旋转二极管故障的检测方法在检测中小型无刷励磁发电机组旋转二极管故障时可能并不适用。当旋转二极管发生故障后，故障信息通常在励磁机定子电流、电枢磁场中表现出来，如果能将励磁机定子铁心中的磁场信息提取并加以利用，则可为检测中小型无刷励磁同步发电机组旋转二极管故障提供新的解决方案。因此，本研究依据中小型无刷励磁发电机组体积小，质量轻，便于组装维护等特点，在励磁机磁极中分线包绕柔性线圈，将二极管故障前后电枢磁场的变化特征作为二极管开路故障的判断依据，利用柔性线圈感应电势中的转频分量在线检测旋转二极管开路故障。

本文结合中小型无刷励磁同步发电机组的电气结构特点，在励磁机定子一对磁极中分线的铁轭处包绕柔性线圈，分析论证了利用柔性线圈检测中小型无刷励磁同步发电机组旋转整流器二极管单管开路故障，研究过程具体包括以下几步：首先，根据旋转二极管在正常及故障情况下励磁机电枢绕组的导通规律和电枢磁场的变化规律，确定旋转二极管发生单管开路后的故障特征和故障判据。然后，通过有限元仿真软件建立励磁机的有限元仿真模型和场路耦合模型，提取垂直穿过柔性线圈的切向磁密，计算线圈的感应电压及其频谱。最后搭建实验平台，通过故障模拟实验完成实验验证。通过理论分析、仿真计算以及故障模拟实验结果的一致性证明了柔性线圈可以用于对中小型无刷励磁同步发电机组旋转二极管开路故障的在线检测。

1 机组结构及电枢绕组导通规律

本文以某电机厂的改造184B型6.8 kW无刷励磁同步发电机组为研究对象，该机组的发电机和励磁机为一体式结构，见图1，铭牌数据如表1所示。

图1 样机实物图Fig.1 Physical map of the prototype

表1 样机铭牌数据

机组原结构为“励磁机-旋转整流盘-发电机”的左中右结构，为了方便故障设置，对机组进行改造，将整流盘移至端部，形成“旋转整流盘-励磁机-发电机”的结构布局，机组改造前后的结构布局对比图如图2所示。整流盘整流后的电流经转轴中心孔内的导线传回发电机侧，供给励磁绕组，机组电路原理图如图3所示。

图2 机组改装前后结构对比图Fig.2 Structure comparison chart before andafter unit modification

图3 机组电路原理图Fig.3 Unit circuit schematic

针对中小型无刷励磁机，在安装柔性线圈时，可以直接用单匝线圈包绕在定子一对磁极中分线位置的铁轭上，即可截获穿过定子铁轭的磁通的变化，参见图4。

图4 柔性线圈安装原理图Fig.4 Schematic diagram of flexible coil installation

机组的励磁机为旋转电枢式交流发电机，其电枢绕组的连接方式为单层波形绕组，每相绕组有5个并联支路，每个并联支路占2个槽(每极每相槽数等于1)，转子共有30个槽。每个支路的引出线与旋转二极管直接相连，每个整流桥臂上具有正、负二极管各一个，旋转整流盘上共有30个二极管，电枢绕组连接图如图5所示。

图5 电枢绕组接线图Fig.5 Armature winding wiring diagram

根据整流电路特征，任意时刻，当某两相电枢绕组感应电势差值达到最大，位于这两相电枢绕组支路上的对应半个桥臂的二极管就处于导通状态，这两相电枢绕组就处于导通状态，另外一相电枢绕组处于关断状态。励磁机电枢绕组的导通时序为：AB→AC→BC→BA→CA→CB，每一个导通时段导通60°电角度。

2 电枢磁场特征及柔性线圈感应电势频谱特征量提取

由于电枢绕组与旋转二极管直接相连，在电枢绕组旋转过程中，受旋转二极管换相影响，电枢磁场发生变化。当二极管全部正常时，电枢绕组每转过一对磁极，二极管发生6次换相，在每一次换相结束后到下一次换相开始前，电枢磁场分布在导通相绕组的轴线上，见图6，图中上面2个子图均为AB相导通的状态，图中箭头表示主磁场的方向。待下一次换相开始后，电枢磁场随电枢绕组发生60°空间电角度的瞬间移位。

由图6可知，电枢每转过一对磁极，电枢磁场有6次瞬间移位。进行样机实验时利用A相第2条支路(A2)正半桥臂的二极管模拟故障(由于励磁机电枢绕组在空间对称，在进行二极管故障模拟时可以选择A、B、C三相任意相的任意支路中的二极管，故障二极管选取只影响电枢磁场空间的畸变位置，即磁势增量的空间位置，选其他支路的二极管不会影响研究结论。本研究为方便实验操作选择A相第2条支路正半桥臂的二极管模拟故障)，为与实验保持一致，理论分析以此二极管为研究对象，分别研究其在正常和故障情况下电枢磁场变化特征。当二极管正常时，电枢绕组正常导通，电枢绕组的导通规律及对应的电枢磁势见图7(图7为A相正向导通时电枢电流及电枢磁势分布情况，A相反向导通时的磁势波形与正向导通时类似，只不过波形正反方向相反，不再列出)。

图6 电枢磁场移位示意图Fig.6 Schematic diagram of armature magnetic field shift

图7 二极管正常时转子各槽电流及电枢磁势分布图Fig.7 Distribution diagram of current in each slot of the rotor and armature magnetic potential under normal conditions of the diode

A2支路正半桥臂二极管开路后，在B、C相导通和A相反向导通时段，电枢绕组产生的磁场与二极管正常时无异。但当涉及到A相正向导通时段，包括AB、AC导通时段，二极管开路导致A2支路以及本应同时导通的B相或C相第二条支路无法导通，致使该时段内整个第2条支路的电流全部为0，局部无电枢磁势产生，A2支路正半桥臂二极管开路后电枢电流及电枢磁势分布见图8。从图8可以看出，在AB导通时段，二极管开路导致整个A2支路无电枢磁势产生，在AC导通时段，A2支路产生的电枢磁势仅为反向磁势。2个导通时段的增量磁势见图9。

图8 A相正向导通时段电枢各槽电流及磁势分布图Fig.8 Distribution diagram of current in each slot of the rotor and armature magnetic potential during forward conduction period of phase A

图9 电枢增量磁势图Fig.9 Armature incremental magnetic potential diagram

当旋转整流盘中的二极管全部正常时，励磁机内部气隙主磁场的变化主要由二极管换相时电枢磁场发生瞬间移位引起。电枢每转过一对极，二极管发生6次换相，电枢磁场发生6次瞬间移位，柔性线圈中感应6个等间隔的电压脉冲。本文使用的样机为5对极，转子旋转一周时间为0.04 s，则脉冲出现频率为750 Hz。当A2支路正半桥臂二极管发生开路故障后，励磁机内部气隙磁场的变化主要由故障二极管产生的电枢增量磁势引起。根据图8和图9，二极管开路故障导致在AB和AC导通时段电枢磁势出现2个不同的磁势增量，由于二极管换相过程连续，持续时间短，2个电枢磁势增量将连续作用于主磁场，导致故障二极管所在支路附近的气隙磁势局部增强，当A2支路扫过柔性线圈，柔性线圈中将感应一个幅值较大的电压脉冲，该脉冲的频率与转子旋转频率相同，为25 Hz，由于该电压脉冲是二极管正常时柔性线圈感应电压中没有的，因此，可以将25 Hz谐波电压作为判断旋转整流桥二极管发生单管开路故障的判据。

3 有限元仿真

实验机组中无刷励磁机的定子部分和转子部分实物如图10所示，根据励磁机的实测结构尺寸和电路参数，建立励磁机的有限元仿真模型和场路耦合模型，如图11所示。在励磁机有限元模型中建立柔性线圈模型时，可以用励磁机定子一对磁极的中分线这一路径模拟柔性线圈，与该路径垂直的磁通密度即为垂直穿过柔性线圈的磁通密度，通过对其提取并进行微分就可得到柔性线圈的感应电压。

图10 励磁机实物图Fig.10 Physical drawing of exciter

图11 有限元仿真模型Fig.11 Finite element simulation model

根据二极管正常和故障情况下的气隙主磁场，计算得到垂直穿过柔性线圈的切向磁通密度，对该磁通密度进行微分计算得到两种情况下柔性线圈的感应电压，对感应电压进行傅里叶分解得到感应电压的频谱。结果如图12、13、14所示。

图12 柔性线圈感应电势波形图Fig.12 Induction potential waveform of magnetic field induction coil

从图12可以看出，当A2支路上半桥臂二极管开路后，柔性线圈感应电压波形发生明显变化，在某一时刻出现幅值较大的脉冲。从频谱图13和图14中可以看到，在二极管正常和发生开路故障两种情况下750 Hz谐波分量最大，二极管正常时频谱中25 Hz谐波分量几乎为0，二极管开路后25 Hz谐波分量显著增大，这与理论分析完全吻合，说明可以把25 Hz特征频率作为旋转二极管发生单管开路故障的故障判据。

图13 二极管正常时柔性线圈感应电势频谱图Fig.13 Spectrum of induced potential of magnetic field induction coil under normal diode conditions

图14 二极管开路时柔性线圈感应电势频谱图Fig.14 Spectrum of induced potential of magnetic field induction coil at the open circuit diode conditions

4 实验验证

实验选择一台2对极异步电动机作为原动机拖动无刷励磁发电机组旋转，发电机组发出的电能供给三相可调负载箱，这样做的好处是仅同步速有极小的降低，但不影响实验结果，并且降低了驱动设备造价、避免了并网的复杂操作过程。实验操作平台如图15所示。

图15 实验操作平台Fig.15 Experimental operation platform

机组运行稳定后，调节负载箱负载开关，让机组分别运行在空载、带1 kW负载和带3 kW负载状态下，观察故障判据是否会受负载变化影响。实验过程如下：

1)合上刀闸开关，待机组运行稳定后，调节负载箱输出负载，使机组分别运行在空载、带1 kW负载和带3 kW状态下，用数据采集仪采集对应于3种负载情况下的柔性线圈感应电势数据。

2)模拟旋转二极管单管开路故障，将无刷励磁同步发电机组旋转整流盘中A相第二条支路正半桥臂的二极管断开，具体操作见图16所示。故障模拟完成后，重新起动机组，当机组稳定运行后使机组再次运行在空载、带1 kW负载和带3 kW三种状态下，采集二极管开路后对应于3种负载情况下的柔性线圈感应电势数据。

图16 二极管开路故障模拟图Fig.16 Open-circuit fault simulation

通过对实验数据进行分析处理，得到A2支路正半桥臂二极管正常及开路时，机组在空载、带1 kW负载和带3 kW负载稳态实验中柔性线圈感应电势波形及频谱图，如图17～图20所示。

对比图17和图18可以看出，A2支路正半桥臂二极管开路后柔性线圈感应电势波形在转子一个旋转周期内的某个时刻出现一个电压脉冲，这与理论分析结果基本吻合。从图19和图20可以看到，旋转二极管正常及开路时线圈感应电势频谱中750 Hz谐波分量幅值最大，二极管正常时25 Hz谐波分量幅值较低，接近为0，当A2支路正半桥臂二极管开路后25 Hz谐波分量幅值明显增大，为明显区分两种状态下频谱中25 Hz特征频率的变化情况，将各频谱图中低频部分局部放大进行对比，对比结果如图21所示(图中左侧图形为二极管正常时频谱图，右侧图形为二极管开路时频谱图)。

图17 二极管正常时柔性线圈感应电势波形图Fig.17 Induction potential waveform of magnetic field induction coil under normal diode conditions

图18 二极管开路时柔性线圈感应电势波形Fig.18 Induction potential waveform of magnetic field induction coil at the open circuit diode conditions

图19 二极管正常时柔性线圈感应电势频谱图Fig.19 Spectrum of induced potential of magnetic field induction coil under normal diode conditions

从图21可以看出，当A2支路正半桥臂二极管发生开路故障后，柔性线圈感应电势频谱中25 Hz谐波幅值显著增高，变化较为明显，这与理论分析和仿真结果相一致。此外，根据机组运行在空载、带1 kW负载和带3 kW负载状态时柔性线圈感应电势波形及频谱的实测结果说明二极管开路故障的判据不受负载变化影响，因此，可以使用柔性线圈判断中小型无刷励磁同步发电机组旋转整流桥二极管的单管开路故障。

图20 二极管开路时柔性线圈感应电势频谱图Fig.20 Spectrum of induced potential of magnetic field induction coil at the open circuit diode conditions

图21 二极管正常及开路时不同负载下特征频率对比图Fig.21 Characteristic frequency harmonic contrast diagram of diode under normal and fault conditions under different loads

5 结 论

本文研究了中小型无刷励磁同步发电机组旋转整流桥二极管单管开路故障的磁场特征，通过在励磁机定子铁轭的磁极中分线包绕柔性线圈检测旋转整流桥二极管单管开路故障，得出以下结论：

1)无刷励磁机的电枢磁场受旋转整流桥二极管换相和故障状态的影响。二极管正常时，受二极管换相影响，转子每转过一对磁极电枢磁场发生6次瞬间移位；二极管发生开路故障后，故障二极管所在支路附近电枢磁场局部降低，整个电枢磁势可以等效为对称电枢磁势与磁势增量之和。

2)无刷励磁机旋转整流桥二极管正常时，受磁场瞬间移位影响，柔性线圈的感应电势频谱中含有750 Hz的谐波。电势谐波频率与无刷励磁机的极对数和转子转速有关，对于不同极对数的无刷励磁机，其谐波频率f=6pn/60，p表示励磁机极对数，n表示励磁机转速。

3)当无刷励磁机旋转整流桥二极管发生开路故障后，电枢磁势出现局部增量，气隙磁场发生畸变，柔性线圈的感应电势频谱中出现25 Hz转频分量，该分量取决于转子旋转频率，是旋转二极管正常时不存在的分量，可以用来检测旋转二极管的单管开路故障。

4)柔性线圈安装方便，对机组的正常运行没有干扰，灵敏度和可靠性较高，可以实现对中小型无刷励磁同步发电机组旋转整流桥二极管开路故障的在线检测。